CN103649724B - 纳米结构的spr传感器装置 - Google Patents

纳米结构的spr传感器装置 Download PDF

Info

Publication number
CN103649724B
CN103649724B CN201280034959.6A CN201280034959A CN103649724B CN 103649724 B CN103649724 B CN 103649724B CN 201280034959 A CN201280034959 A CN 201280034959A CN 103649724 B CN103649724 B CN 103649724B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cavity
sensor device
sensor
spr
bed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201280034959.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103649724A (zh
Inventor
安德烈亚·瓦尔塞西亚
弗兰科·马拉贝利
西尔维娅·朱迪卡蒂
杰拉尔多·马尔凯西尼
弗朗索瓦·罗西
帕斯卡尔·科尔波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
European Community EC Belgium
Plasmore Srl
Original Assignee
European Community EC Belgium
Plasmore Srl
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by European Community EC Belgium, Plasmore Srl filed Critical European Community EC Belgium
Publication of CN103649724A publication Critical patent/CN103649724A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103649724B publication Critical patent/CN103649724B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

一种传感器装置，包括电介质基片（52）；和在基片（52）上的金属层（53），其中具有至少一个空腔（54）的阵列，并且适于支持L‑SPR，在金属层（53）中的每一个空腔（54）具有开口（56）和封闭的底部（58），且从开口到底部逐渐加宽。在每一个空腔（54）的底部（58）上提供有电介质材料的床层（62）以降低其表观深度，床层表面（62）被官能化以结合受体部分（64）。这种传感器装置是特别为SPR检测设计的，但也可以用于其它检测技术中。

Description

纳米结构的SPR传感器装置
技术领域
本发明总体涉及基于表面等离子体共振的传感***，更具体地说，涉及一种具有纳米结构的SPR传感器装置，适合在化学、生物化学、生物学、生物医学、制药和物理测试中使用。
背景技术
有许多已知的利用表面等离子体的激发的传感器，被称为表面等离子体共振（SPR）传感器，用于检测邻近传感器表面的样品的折射率变化。这样的SPR传感器用于，例如，在化学、生物化学、生物学、生物医学或制药研究中，在临床或食品检测中，或者在环境检测（如检测气体或废水）等中测量物质的浓度。许多SPR传感器可以进行快速、并行和大规模检测，这使得这些传感器也便于定量分子间的相互作用，特别是用于研究两个或更多相互作用的分子之间的亲合力和实时反应动力学。
SPR传感器依赖于众所周知的SPR现象，这涉及在金属材料（通常是金或银）和电介质材料之间的界面处传播的一种或多种表面结合电磁波。每一种因自由电子在金属-电介质的界面处的集体振荡而产生的表面结合电磁波，平行于该界面时，以其最高强度传播，远离该界面时，呈指数衰减。
激发SPR的最常用技术是利用Kretschmann装置中的棱镜。在这种情况下，棱镜覆盖有支持表面等离子体的贵金属层，且通过棱镜，SPR被光激发。实际上，如果入射光平行于界面的分量（component）和SPR的表面结合电磁波既有相匹配的频率，又有相匹配的波长，则光可以在金属-电介质界面处激发表面等离子体的共振。在共振条件下，入射光被金属-电介质界面吸收，以与表面结合电磁波耦合。通过检测，例如，由金属-电介质界面传输或反射的光强度的降低，可以观察到这一吸收。光与表面等离子体波之间的耦合状态对靠近金属-电介质界面的电介质的折射率变化非常敏感，SPR传感器利用在共振耦合状态的这种敏感性，当用SPR激发光束照射电介质时，通过测量从金属-电介质界面反射的光强度的降低，用于检测电介质的折射率变化。
SPR在能够检测生物分子或生物化学分子之间的相互作用的生物传感器***中具有特别应用，这些相互作用为，例如，抗原和抗体、酶和底物、内分泌物和受体、核酸和核酸等之间的相互作用。特别是，许多SPR生物传感器***带有附着在其传感器表面的生物受体，以当生物化学分子或生物分子与这些生物受体相互作用（结合）时，检测由传感器表面的折射率变化引起的光-SPR耦合状态的变化。这样的生物传感器***适用于测量，例如，生物分子或生物化学分子在溶液中的浓度等。
目前，存在各种基于SPR传感的实验室设备。申请号为US2009/021,727的美国专利申请描述了基于Kretschman装置的生物传感器。
另一种用于检测生物化学分子的SPR生物传感器***已知来自US2008/316,490，并且采用了金属光栅代替棱镜。
最近，局部表面等离子体共振（L-SPR）现象的发现以及通过金属亚波长周期结构增强的传输，对于显著提高检测阵列尺寸（支持高通量应用）显示出极大的潜力。对于L-SPR应用，在广泛的技术领域中已开发的最简单和最通用的技术是所谓的纳米孔阵列传感装置。在常规方法中，SPR传感器包括用贵金属层覆盖的电介质基片，在贵金属层中形成了周期性纳米孔阵列，即具有亚波长尺寸的孔。
例如，在WO2008/039212、WO2010/130045、和Parsons,J.等人的“Localized surface-plasmon resonances in periodic non-diffracting metallicnanoparticle and nanohole arrays”（PHYSICAL REVIEW B79，073412（2009））中，都描述了这种基于L-SPR的带有nm孔阵列的传感器。
Giudicatti,S.等人在“Plasmonic resonances in nanostructuredgold/polymer surfaces by colloidal lithography”（PHYSICA STATUS SOLIDI(A)，第297卷，2010年4月（2010-04），p935-942）中描述了一种胶体光刻（colloidal lithography）方法，用于制备被排布成2D六角形阵列的聚合物柱穿孔的金膜构成的LSPR支持结构。
在SPR传感器的制备中使用胶体光刻技术也公开在EP2264438中；以及由Mannelli等人所著的“Bioadhesive nanoareas in antifouling matrix forhighly efficient affinity sensors”（PROCEEDINGS OF THE SPIE–USA，第7035卷，2008，p70350Y-1-70350Y-10）中。
发明目的
本发明的目的是提供一种纳米孔阵列型传感器装置，用于具有更高灵敏度的SPR传感。
这个目的是通过权利要求1所述的传感器装置达到的。
发明内容
在开展本发明工作时，本发明人观察到，现有技术已能通过调节纳米孔的几何形状来适应其电磁响应，然而，就生物检测过程来说，所得到的几何形状并不是最佳的。特别地，本发明人观察到，附着在金属上以及在孔中的生物分子受体通常位于不恰当的位置，以确保最有效的检测。
本发明人思考了这一问题，设计了一种等离子体传感器装置，具有能够确保配体/分析物与受体的结合发生在强电场密度的区域内。
因此，一种传感器装置，特别是根据本发明的SPR传感器装置，包括电介质基片，以及在所述基片上适于支持L-SPR的金属层。该金属层中具有至少一个空腔（孔，cavity）的阵列，每一个所述空腔都有一定深度、开口和封闭的底部，并且所述空腔从开口到底部逐渐加宽。
应当理解的是，在每个空腔的底部上提供电介质材料床层（bed），以使自其开口处的空腔深度（表观深度）降低，床层表面被官能化（功能化，functionalized）以使其具有对受体部分的粘附亲和力。
第一个应注意的方面是，加宽的空腔形状使空腔开口周围的电场增强。其次，为了使受体更靠近此区域以使结合发生在该强密度区域，将空腔的底部填充电介质材料，形成底层，其减小空腔的表观深度。因此，表观深度对应于空腔的顶部/开口与床层表面之间的有效剩余深度。
另外，床层的官能化表面使得能够在其上附着受体部分，在分析和测试时，该受体部分会与可能存在于待测试样品中的相应分析物/配体结合。
在这样做时，受体部分靠近强电场，且与之结合的分析物实际上会在此强电场区域内。
因此，本设计使得能够以这样的方式设计空腔，以满足所需的电磁特性，同时，为了最佳检测，优化受体部分的位置，以及在使用中形成的复合物的位置。
本文所用的术语“受体部分”指作为探针物质被连接到传感器上，且对待检测的分析物具有确定的结合特异性的任何种类的物质。受体部分可以是任何分子，化学、天然或生物物质或者其部分；换句话说，用于生物学检测的受体部分可以包括：抗原/抗体、酶、蛋白质、寡核苷酸等。进而术语“分析物”是指借助于本发明的传感器，因分析物与附着在传感器装置上的受体部分的结合特异性而被检测的任何感兴趣的分子、化学物质、生物分子或组分。分析物可以是任何类型的配体、分子、生物物质，例如，蛋白质、酶、肽、有机和无机化学物质、寡核苷酸、抗体等，通常可以由特异性生物化学反应来识别的任何种类的分子。
至于nm空腔的形状，优选的是连续或阶梯式的截头圆锥或梯形形状。然而，本领域的技术人员可以设计出任何适合的自上而下逐渐加宽的形状，以使空腔开口周围产生强电场分布。
正如人们所理解的，空腔的表观深度随类型的变化而适当改变，并且特别取决于受体部分和分析物的长度。因此，有利地设计电介质床层在空腔中的厚度，使得当分析物结合到受体部分时，分析物至少有部分位于电场最强的区域。这意味着，受体部分的结合端与电场最强的区域是邻近的、或者部分进入电场最强的区域。在这方面，可以注意到，底层的厚度（或高度，即从空腔的底部到底层的上表面的距离）通常小于空腔的深度（或高度）。
用于生物应用，床层的厚度优选是使得自开口处的表观深度在10至30nm的范围内，更优选15至25nm。
床层可以由可被适于检测感兴趣的分析物的受体部分官能化的或者针对适于检测感兴趣的分析物的受体部分而被官能化的任何适合的电介质材料制成。例如，床层可以由ppAA或尼龙构成。
进一步会注意到的是，床层可以由一种单一材料制成，或包括两层或更多层电介质材料，其中每一层的厚度都构成床层的总厚度，因而都可用于调节空腔的表观深度。在这种情况下，最上层应具有官能化能力。例如，可形成厚度为t1的诸如PPAA或尼龙的第一电介质材料层；以及在第一层上面可以形成随后的厚度为t2的层，其为任何适合的官能化电介质，例如，包括水凝胶的多孔电介质。床层的总厚度T为T=t1+t2，其中空腔在金属层的深度为dC，表观深度dA以dA=dC-T计算。
在这方面，可以进一步注意到，官能化层可以包括形成受体部分的分子/部分，因而，在使用它们之前，不需要在基片上将受体部分定位。
在一个实施方式中，金属层的厚度为至少100nm，优选地，至少120nm。实际上，金属层的厚度可以在100到200nm的范围内。
空腔的尺寸在纳米范围内，并且，众所周知，为了激发表面等离子体，空腔具有亚波长尺寸，即低于入射光的波长。
金属层中的空腔通常是通孔，由此空腔的封闭底部是由基片表面形成的。金属层中的空腔优选深度为至少100nm，并且更优选地，在100至200nm的范围内。
此外，对于探针光选自UV-VIS-NIR光谱的一般操作，空腔可设计为开口宽度（如直径或等效直径）在50-250nm的范围内，而底部宽度可以在100-450nm的范围内。
还是在这种背景下，纳米空腔阵列的周期性，即两个空腔的中心之间的距离，可以在200至1000nm的范围内。
任何适合L-SPR的金属都可以用作L-SPR支持金属层。也就是说，金属可以选自包括金、银、铜、铂、铝、或包含其中一种或多种的合金的组。
有利地，金属层覆盖有防污薄层，其防止蛋白质粘附。结果是，更容易在具有官能化表面的电介质层表面附着受体部分。并且在测试过程中，粘附到金属上的蛋白质和分析物较少，这将提高信噪比（signal to noiseratio）。
在本发明的背景下，术语“电介质”，用作基片和床层材料，意在涵盖不是“导体”且能被等离子场极化的材料，因此，相应地，包括电介质材料，如蓝宝石、玻璃、或聚合物，而且还包括适当的半导体材料。
为了使用简便，正如本领域中常用的，可以在金属层上加微流体层。这种微流体层通常包括，设置以选择性地将测试样品与相应的空腔阵列相接触的通道。
通常，一个空腔阵列与一种类型的受体相关。因此，金属层可以包括多个空腔阵列，而其中的每个阵列又包括一种相应类型的受体部分。
本发明的传感器可以用在带有常规照明和光分析***的SPR分析***中，不管是带有光电探测器装置，还是带成像***。
在这方面，可以注意到，对于在SPR成像/显微镜中的应用，本发明的SPR将具有超过常规SPR和L-SPR传感器的显著提高的性能。众所周知，对于常规传感器，探测光的选择是灵敏度和横向分辨率之间的权衡结果。相比之下，应当理解的是，在本发明的采用纳米空腔阵列的SPR传感器中，等离子体被限定在狭窄的区域，这导致其横向分辨率很高（通常在100和500nm之间）。此外，现有的空腔结构连同降低空腔深度的床层，使得目标部分能够定位在强电场中，以获得最高的灵敏度。因此，SPR成像可以在同时获得高横向分辨率和高灵敏度的情况下进行。
本发明的传感器装置可以应用于大量SPR分析中，这取决于附着在床层表面的受体部分的类型。除此之外，本发明的SPR传感器装置可以在化学、生物化学、生物学、生物医学、制药和物理领域中找到测试应用。更具体地，例如，在化学、生物化学、生物学、生物医学或制药研究中，在临床或食品检测中，或者在环境检测（如检测气体或废水）等中，本发明的SPR传感器可以用于定量物质的浓度。
可以进一步理解的是，除了基于表面等离子体的检测***以外，本发明的传感器装置的结构可以在分子、化学和/或生物化学检测技术中引起兴趣。特别是，本发明的传感器可以有利地应用于检测/分析技术中，其中，由本发明所进行的电磁场的定域化（定位，localization）及增强，体现在可以是光学信号、热信号、电信号等的检测信号的增强中。这些技术的实例是：
a.表面增强拉曼光谱（SERS）。在标准拉曼光谱法中，由激光发出的单色光激发分子的振动模式。这些模式可以在反射光谱中作为正峰被观察到。峰的光谱位置（拉曼光谱）是分子所特有的（像指纹一样）。拉曼光谱是直接确定化合物中是否存在不同分子，以及确定不同分子的含量的唯一方法。在常规SERS方法中，纳米结构的传感器表面可以使拉曼信号（通常是非常弱的）增强，使得有可能确定较低浓度的物质。根据本发明的传感器装置可以有利地在SERS中应用。在这种情况下，SERS的增强发生（如在表面等离子共振技术中那样）在空腔的顶部，并且可以通过调节空腔的大小和形状来定位。正如在L-SPR分析的情况下，利用本发明的传感器装置，可以将待检测的分子准确定位到SERS的增强达到最大值的位置，从而提高信号的灵敏度。
b.荧光光谱。在标准荧光光谱法中，荧光分子（荧光团）由激光激发，并发出不同波长的荧光。这种技术用作定量分析方法，用于确定分子、蛋白质、DNA等的浓度。利用本发明，当荧光团（与进行识别的二级抗体或DNA序列结合）位于电场最强的区域时，灵敏度（即荧光的光强）可以显著提高。
c.在基质辅助激光解吸电离（MALDI）和表面辅助激光解吸电离（SALDI）中，高密度激光束用于诱导分析物从表面的解吸，以产生可被质谱仪分析的离子。这是一种非常灵敏、非常精确的分析技术，用于直接测定任何分子的浓度。当在SALDI中采用本发明的传感器装置时，将待分析的分子定位于激光（诱导解吸过程）强度最大处，从而提高分析效率。
可以注意到，在这些不同的分析技术中，由于空腔的特定形状，如同在“仅”SPR分析中那样，表面等离子体也被入射光局部激发，从而在空腔的开口处获得增强的电场。
附图说明
现在将通过举例的方式，参照附图，对本发明进行描述，其中：
图1是带有纳米孔阵列的常规SPR传感器的原理图；
图2是示出本发明的SPR传感器装置的设计原理的简图；
图3是对比简图（不是本发明的SPR传感器的实施方式），图示了在无电介质床层的空腔底部的受体部分的位置；
图4是根据本发明的SPR传感器的实施方式的纳米结构的布局视图；
图5是示出纳米结构的内部和周围的电场强度分布的视图；
图6是SPR传感***的实施方式的原理图。
具体实施方式
a）常规L-SPR传感器设计
如本领域的技术人员所熟知的，基于SPR效应的传感器依赖于两种类型的等离子体共振效应：
1）基于表面等离子体激元（SPP）的传感器，它在电介质和贵金属之间的界面上传播波；
2）基于局域表面等离子体共振（L-SPR）的传感器，它是在贵金属材料中的电介质空腔内部定域的驻波，或是在电介质内或电介质上的贵金属的纳米结构内部定域的等效驻波。
当然，在这两种情况下，传感器能够检测在金属界面的折射率的变化。
应当注意的是，在SPR生物传感器中，微观的（或局部的）灵敏度决定传感器的总灵敏度。局部灵敏度与金属周围的电介质中的等离子体共振产生的电场的延伸长度相关。这个长度称为穿透深度。
通常，L-SPR的穿透深度是10nm量级的。数值模拟能够对等离子体纳米结构周围的电场强度分布模式进行评价和研究。
在带有纳米孔阵列的基于L-SPR的传感器的常规设计中，例如，如图1中所示，在覆盖在电介质基片6上的等离子共振支持金属层4中钻出（例如，通过离子束）圆柱状孔/空腔2。在这种情况下，在空腔2中的电场分布沿圆柱壁为最大，如图1中的竖直的深灰色矩形8所示。自电场最强的壁的通常距离是约10nm。
在生物传感器应用中，受体部分如蛋白质通常固定在空腔内，这些部分对样品中待检测的分析物有结合特异性。通常，受体部分由此固定到空腔的壁上，其中电场是最强的。
然而，受体部分的尺寸有限；例如，抗体的通常长度在10到20nm的范围内。
因此，可以理解，实际上受体部分位于约10nm的电场区域内，其中的等离子体共振电场是最强的。
当分析物到达空腔时，被生物探针识别，并被固定在生物探针受体自身上，形成复合物。
但是，当分析物位于空腔2中电场强度最大的区域之外（相对而言）的区域时，分析物不会以最佳灵敏度被测出。
在图1中示出了这种情形，其中形成受体部分的标记为10的抗体固定在空腔2的侧壁上。抗体10的伸展长度可以与强电场区域8的宽度相比。引用标号12表示结合到受体抗体10的抗原。这种在测试样品中存在的分析物12对抗体10具有独特的结合特异性，因而与之结合形成复合物。然而，由于强电场的延伸减小，这种结合发生在其外部。
b）本发明的传感器的工作原理
在图2中示出了本发明的传感器设计构思。为了优化L-SPR传感器的灵敏度，本发明人构造了空腔的几何形状，以在空腔的一个区域内获得强的/增强的电场分布，还发现了一种方法，用于将受体部分排列在邻接这一强电场区域，或与这一强电场区域以部分重叠的方式排列，以使与受体部分结合的分析物处于这一强电场中，因而在最高/增强灵敏度的区域内。
参照图2，本发明的SPR传感器装置50包含带有L-SPR支持层的电介质基片52，其中L-SPR支持层包括电介质基片52上的贵金属层53，其中带有纳米空腔54的阵列（为简单起见，这里只显示了两个空腔54）。空腔54的尺寸通常称为“亚波长”，即它们比探测光束的波长小。空腔54被设计成不对称的，即在整个空腔深度方向内，其截面不是恒定的，以使其在入射光束的方向上是不对称的。更确切地说，空腔14具有从其孔56至其底部58加宽的形状，空腔的封闭的底部由下层的基片52的表面构成。这种加宽可以是如图2中所示的连续的，例如，基于截头圆锥或金字塔的形状，或设计成阶梯式的外形。空腔54的深度，记为dC，表示从开口56至底部58的垂直距离。当这样的SPR传感器经由探测光从基片侧（即从其最宽的底部58侧）照射时，在合适的角度和波长下，等离子共振被激发。表面等离子体激元的场强较强，在空腔的开口部位56附近达到最高水平，如图2中的矩形60所示。
纳米孔阵列的磁响应的适应（tailor）能力是本领域熟知的（例如，参见由Li,J.等人在APPLIED PHYSICS LETTERS92，213106（2008）中发表的论文“Studies of the plasmonic properties of two-dimensional metallicnanobottle arrays”）。实际上，表面等离子体激元的激发和辐射是高度依赖于几何形状的；共振依赖于金属纳米结构的尺寸和形状。还已经表明，表面等离子体激元的光谱位置主要依赖于纳米空腔阵列的周期，而场强和分布强烈依赖于排布在金属层中的空腔的实际形状。
如前面提到的，空腔54的不对称形状（从开口到底部加宽）会导致最强的电场集中在空腔开口56的周围。因此，选定空腔54的几何形状/尺寸，以获得期望的电磁响应。
应当理解的是，本发明的传感器装置50还包括位于空腔54的底部58上的电介质材料的床层62，它降低空腔54的表观深度。因此，当金属层53中的孔的深度仍是dC（对应于金属层的厚度—空腔是通孔）时，空腔的底部填充有电介质材料，从而看起来具有深度dA，表示从开口56的顶端到床层62的表面的距离。该床层62构成了一种支持结构或基座，可以将受体部分64附着在其表面63上的强电场区域附近。因此，当相应的分析物与受体部分结合时，它将位于灵敏度最高的区域。换句话说，空腔54部分填充有构成床层62的电介质材料，因而它在金属层顶部是敞开的，且在与表观深度dA相对应的深度内是空的。
在图2中对此进行了说明，其中受体抗体64附着在床层62的表面63上，并使其另一端与强电场分布区域60相接。当与抗体64结合时，强有力的抗原66将会伸展到这一电场最强的区域60内，因而在灵敏度最高的区域内。
为了比较，图3示出了一种SPR传感器结构，其被设计为具有与图2的传感器相似的圆锥形空腔54'，但是没有电介质床层。可以看出，抗体64'将位于空腔的最底部58'，甚至结合时所形成的复合物将离电场最强的区域60'相当远。应想到是，在这样的纳米结构中，孔深dC通常不小于100nm，而抗体的典型尺寸为15nm。
回到图2所示的本发明的传感器中，借助形成床层62的材料的官能化表面，方便地实现了受体部分的附着。材料的官能化是为了使其对期望类型的受体部分有选择性地结合，所选的受体部分取决于要进行的测试的类型。官能化聚合物的适合材料是聚丙烯酸或任何带有适于最佳附着靶标部分的官能性的电介质聚合物。
尽管在图2和图3中，床层62表示为单层，其可包括两层或更多层电介质材料。例如，第一层电介质材料可以设在空腔底部之上，第二层电介质在第一层之上形成。在这种情况下，第二层（或最上层）的上表面形成床层的表面，且床层的厚度是各层厚度的总和。第二层（或顶层）的电介质材料具有所需的附着探针（受体部分）的功能；包括水凝胶的多孔电介质可以用于第二层/顶层。
在图4中示出了本发明的传感器装置的实用实施方式。类似装置用与图2中相同的引用标号再加100来标记。传感器装置150是按照上述的设计原理构造的。传感器装置150包括由玻璃制成的电介质基片152。标记为153的贵金属层，此处是金，覆盖在玻璃基片152上。这一层包括在金层中形成的空腔154的阵列，为简单起见，在这里仅显示了一个。金属中的空腔154的深度记为dC。空腔具有逐步加展的截面，由三部分组成：半径为R1的开口部分、最大半径为R2的中间部分、和最大半径为R3的端部。可以注意到，空腔的孔156被设定为在金属层153的表面上略为突出的环状部分170。
空腔154部分填充有形成床层162的电介质材料，将空腔的表观深度降低到dA的深度。将床层162的表面官能化，以使得受体部分在其上能够附着，如图4中所示的抗体164所表明的。
出于例证，我们将对材料和规格加以评述，但这些不应被解释为是限定性的。可以使用其它透明电介质材料，例如透明聚苯乙烯或PMMA或聚碳酸酯，代替玻璃基片152；可替换地，可以使用半导体材料，优选是低掺杂的。也可以使用其它金属，例如，Ag和Pt这样的贵金属、或者铝，代替金。床层162的电介质材料可以是ppAA，或任何其它适合的官能化聚合物。空腔开口周围的金层厚度为120nm的量级，因而空腔深度dC为120nm。床层162的厚度为100nm，由此表观深度dA为20nm。开口处的半径R1是50nm，而在空腔底部处的半径R3是200nm。再次说明，给出的这些尺寸是出于例证，不应被解释为以任何方式的限定。
通过数值模拟确定图4中的纳米结构在等离子体共振条件下的电场分布，电场分布示于图5中。可以看出，考虑到上述的形状和规格的假定，强电场区域存在于空腔的开口部位156的周围；由于床层的高度，以及由此决定的受体部分的位置，使得任何与受体部分结合的分析物将会位于灵敏度最高的区域。
优选地，在金属表面上（因而不是在床层表面163上）形成防污材料薄层172。众所周知，防污材料以防粘结的方式起作用，以防止或减少不希望的相互作用，如化学或生物化学分子的非特异性吸附等。这会减少可能是由不希望发生的化学或生物化学分子在传感器表面的相互作用或结合引起的噪音信号。
c）传感器的制作
本发明的传感器可以采用光刻技术轻而易举地制造。下面是一种可能的制造技术。在玻璃基片上沉积聚丙烯酸（ppAA）层，随后在ppAA上沉积聚苯乙烯珠粒（PS）层。用O2等离子体蚀刻ppAA和PS层，以形成包括以亚微米级间距分隔的固定间距的ppAA柱的格栅（grating）结构。这些柱从其底部到顶部是锥形。然后将金沉积到柱上，以填补相邻柱之间的间隙，并除去PS掩模的剩余部分，得到周期性的金纳米格栅。电介质柱的其它备选材料有聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯等。
可以注意到，在这个阶段，空腔完全填充有柱的电介质材料。为形成带有用于附着和定位受体部分的床层的空腔，可以选择性地（相对于金）蚀刻柱的顶端，使其下降到所需的表观深度dA。这种技术的优点是，ppAA的蚀刻可以以约±2nm的高精度进行。
然后，可以将防污材料薄层（例如，防污水凝胶，即聚乙二醇）选择性地沉积到裸露的金表面上。
d）在SPR传感***中的应用
现在参见图6，图中所示为包括如上所述的SPR传感器装置的SPR传感***。在使用过程中，将传感器定向，以使探测光从基片252侧入射，由此从尺寸最宽的底部，即开口的对面，照射空腔254。通常，传感器装置包括至少一个根据本发明的原理设计的空腔254的阵列，以支持L-SPR，并获得上述的电场分布。
在这样的实用性实施方式中，金属层253覆盖有微流体***280，该微流体***280包括允许选择性地使测试样品与相应的空腔254的阵列相接触的通道。在这种情况下，可以将每个阵列制作为包含用于检测不同物质的不同受体部分。如本领域已知的，可以通过在金属层253的顶部形成带有形成于其中的通道282的弹性体层或其它材料（例如，PDMS、PMMA、玻璃、环氧树脂等），建立微流体***280。
在使用过程中，用来自输入光模块292的测试光束290（探测光束），从基片侧照射本发明的SPR传感器装置。测试光束290具有已知能在传感器表面激发SPR的频率和入射角。可以注意到，可以将照射纳米空腔阵列的测试光束290以本身已知的方式设置，使其具有确定的极化。为了激发SPR，测试光束290的一个或多个频率应与传感器纳米结构中的表面结合电磁波的一个或多个允许频率匹配。优选地，传感器应设计为使得SPR的允许频率通常与可见光/近红外光谱的光相对应。当测试光束激发SPR时，至少部分测试光束在传感器表面被吸收，其吸收程度取决于在传感器表面的入射光的频率。随后，在传感器表面未被吸收的测试光束的光被反射，并在输出光模块294中拦截。可以注意到，以传输方式操作也是可以的。
之后，在输出光模块294中检测（测量）被反射的测试光束的光特性，优选其强度，并测定所测得的光特性的实际值，这是表面等离子体的激发水平的表征，并允许对共振状态或通过与校准的或预先存储的/采集的数据比较而建立的共振条件的偏移进行评估。众所周知，共振条件通常会导致测试光束的反射光强度的测量值降低，这是因为在传感器表面的光的吸收，以及与传感器表面邻近的样品的折射率的改变引起了共振条件的偏移。
本领域的技术人员应当理解，输出光模块中的检测/测量可以借助光电检测器或成像阵列来进行。
d）在其它传感技术中的应用
如上所述，本发明的传感器装置可以有利地应用于其它检测技术中。实际上，L-SPR效应（恰好位于纳米空腔周围的贵金属层的电子的振动）与纳米空腔的锥形相结合，在空腔的开口周围产生增强的电场，这对于其它分析技术，如拉曼/SERS、荧光光谱、和SALDI，可以是有益的。
事实上，电场在所有这些应用中都起作用，可以注意到：
-在拉曼光谱（SERS）中，电场决定拉曼发射的强度，因而决定拉曼信号及灵敏度。
-在荧光光谱中，电场（在特定波长）激发荧光分子使其发光。因此，将荧光分子定位在空腔的顶部，此处的电场是最强的，将起到增加发射光进而增加灵敏度的作用。
-在SALDI中，利用高能量激光，使温度局部升高，引发将采用质谱法进行分析的蛋白质的解吸。激光束的能量（由此决定的其可释放到表面的热能）与电场强度成正比。通过使用本发明的传感器，可以使分子所处位置的电场聚集，从而使解吸更有效。

Claims (22)

1.一种传感器装置，包括：
电介质基片；
在所述基片上的金属层，其中具有至少一个纳米空腔的阵列，并且适于支持L-SPR，在所述金属层中的每一个所述空腔具有一定深度、开口、和封闭的底部，并且从开口到底部加宽以在所述空腔开口周围形成强电场分布；
其中，在每一个空腔的所述底部上提供有电介质材料的床层，以形成降低的表观深度，床层表面被官能化以结合受体部分；
其中，所述电介质床层的厚度设计为使得当分析物与所述受体部分结合时，所述分析物至少部分位于强电场区域。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述空腔具有从开口到底部的截头圆锥形或梯形形状。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述空腔的所述加宽是连续的或以阶梯方式。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述空腔在它们的底部由所述电介质基片封闭。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器装置，其中，所述床层的所述厚度小于所述空腔的深度。
6.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述床层的高度使得所述表观深度在自所述开口处起的10至30nm的范围内。
7.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述床层的高度使得所述表观深度在自所述开口处起的15至25nm的范围内。
8.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述床层至少在表面由官能化的电介质聚合物构成。
9.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述床层由单一电介质聚合物制成，或者由两层或更多层电介质材料制成，顶层包括官能化的电介质聚合物。
10.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述金属层的厚度是至少100nm。
11.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述金属层由选自包括以下各项的组中的金属制成：金、银、铜、铂、铝、或包括其中一种或多种的合金。
12.根据权利要求1-3和6-11中任一项所述的传感器装置，其中，所述空腔具有宽度在50至250nm范围内的开口、宽度在100至450nm范围内的底部、和深度在100至200nm范围内的空腔。
13.根据权利要求12所述的传感器装置，其中，至少一个所述空腔的阵列的周期在200至1000nm的范围内。
14.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，至少一个所述空腔的阵列的周期在200至1000nm的范围内。
15.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述金属层覆盖有防污材料层。
16.根据权利要求1所述的传感器装置，包括附着在所述床层表面的受体部分。
17.根据权利要求1所述的传感器装置，包括在所述金属层顶部的微流体层，所述微流体层包括设置为选择性地使测试样品与相应的空腔的阵列相接触的通道。
18.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述基片包括电介质材料和/或半导体材料。
19.一种SPR传感***，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置；
输入光模块，发射至少一种测试光束，用于在选定条件下照射所述传感器装置的L-SPR支持金属层以激发SPR；
输出光模块，用于测定由所述传感器装置传输或反射的所述至少一种测试光束的光特性，以监测所述传感器表面的共振条件。
20.根据权利要求19所述的SPR传感***，其中，所述传感器装置利用所述至少一种测试光束从所述电介质基片侧被照射。
21.根据权利要求1所述的传感器装置在基于SPR、SERS、荧光、和SALDI中的一种或多种的检测方法中的应用。
22.一种传感器***，包括根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述传感***设置为基于SPR、SERS、荧光、和/或SALDI进行化学、分子、生物化学、或生物分子检测。
CN201280034959.6A 2011-07-14 2012-05-31 纳米结构的spr传感器装置 Active CN103649724B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11174058A EP2546635A1 (en) 2011-07-14 2011-07-14 SPR sensor device with nanostructure
EP11174058.5 2011-07-14
PCT/EP2012/060310 WO2013007448A1 (en) 2011-07-14 2012-05-31 Spr sensor device with nanostructure

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103649724A CN103649724A (zh) 2014-03-19
CN103649724B true CN103649724B (zh) 2016-11-09

Family

ID=45023939

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280034959.6A Active CN103649724B (zh) 2011-07-14 2012-05-31 纳米结构的spr传感器装置

Country Status (10)

Country Link
US (1) US9395363B2 (zh)
EP (2) EP2546635A1 (zh)
JP (1) JP5820929B2 (zh)
KR (1) KR101879794B1 (zh)
CN (1) CN103649724B (zh)
BR (1) BR112014000850B1 (zh)
DK (1) DK2732265T3 (zh)
ES (1) ES2554258T3 (zh)
MX (1) MX340000B (zh)
WO (1) WO2013007448A1 (zh)

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110579435B (zh) 2012-10-15 2023-09-26 纳诺赛莱克特生物医药股份有限公司 颗粒分选的***、设备和方法
ITCO20130029A1 (it) 2013-06-28 2014-12-29 Plasmore S R L Unita' per analisi biochimiche a immagini di tipo spr in forma di piastrina
ITCO20130030A1 (it) * 2013-06-28 2014-12-29 Plasmore S R L Apparecchio portatile per analisi biochimiche di tipo spr a immagini
KR101686011B1 (ko) * 2013-11-18 2016-12-13 한국표준과학연구원 나노 플라즈모닉 센서 및 이를 이용한 측정 방법
JP6118761B2 (ja) * 2014-06-05 2017-04-19 富士フイルム株式会社 被検物質測定キット及び被検物質の測定方法
CN104777135B (zh) * 2015-03-13 2018-06-01 中山大学 一种全波长局域等离子体谐振传感器及其制备方法
US10107749B2 (en) * 2015-06-26 2018-10-23 The Regents Of The University Of California Plasmon laser sensor
US9588044B2 (en) * 2015-07-16 2017-03-07 Globalfoundries Inc. Inline buried metal void detection by surface plasmon resonance (SPR)
CN109311658A (zh) * 2016-07-22 2019-02-05 惠普发展公司，有限责任合伙企业 衬底组件和相关方法
JP7072847B2 (ja) * 2017-05-12 2022-05-23 公立大学法人大阪 被検出物質の検出キットおよびそれを備えた検出システム、ならびに、被検出物質の検出キットの製造方法
WO2019240801A1 (en) * 2017-06-14 2019-12-19 Chen Jinghong High sensitivity optical detection system
CN109939751B (zh) * 2017-12-21 2023-06-27 东莞东阳光科研发有限公司 一种全血检测的微流控芯片、检测装置及其检测方法
CN111693502B (zh) * 2019-03-12 2024-05-07 武汉大学 一种结合空腔增强与表面增强的液相拉曼增强光谱衬底
WO2020220131A1 (en) * 2019-05-02 2020-11-05 Queen's University At Kingston Sensor elements having metallic nanostructures and uses thereof
US11231365B2 (en) * 2019-07-08 2022-01-25 Hanwha Systems Co., Ltd. Apparatus and method for infrared imaging
CN110749580B (zh) * 2019-09-18 2022-05-10 东南大学 一种用于单分子荧光限域激发的纳米微阵列近场结构
JP7339655B2 (ja) * 2019-09-27 2023-09-06 国立大学法人 東京大学 Ｓｐｒセンサチップおよびｓｐｒセンサ
CN111323574A (zh) * 2020-02-26 2020-06-23 量准（上海）医疗器械有限公司 一种基于等离子光学纳米孔增强免疫比浊的含量测定方法
JP7432542B2 (ja) 2021-01-26 2024-02-16 株式会社Soken ガスセンサ
CN114486857B (zh) * 2021-05-01 2023-12-15 厦门大学 基于等离激元纳米量筒与特异性结合的生物分子传感器
US20230104161A1 (en) * 2021-10-05 2023-04-06 Electronics And Telecommunications Research Institute Biosensor device
CN114839164B (zh) * 2022-04-29 2023-10-17 电子科技大学 基于金微纳锥形阵列结构的传感器及其制备方法和应用

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2261009B1 (es) 2004-06-11 2007-11-16 Consejo Superior De Investigaciones Cientificas. Dispositivo y metodo para detectar cambios en el indice de refraccion de un medio dielectrico.
US7476787B2 (en) * 2005-02-23 2009-01-13 Stc.Unm Addressable field enhancement microscopy
WO2008039212A2 (en) 2005-10-21 2008-04-03 University Of California, San Diego Optical sensing based on surface plasmon resonances in nanostructures
JP5397577B2 (ja) * 2007-03-05 2014-01-22 オムロン株式会社 表面プラズモン共鳴センサ及び当該センサ用チップ
US20080316490A1 (en) 2007-06-19 2008-12-25 National Tsing Hua University Planar surface plasmon resonance detector
US7733481B1 (en) * 2007-10-30 2010-06-08 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Facilitating surface enhanced Raman spectroscopy
US8860943B2 (en) 2009-05-12 2014-10-14 Valorisation-Recherche, Limited Partnership High sensitivity plasmonic structures for use in surface plasmon resonance sensors and method of fabrication thereof
EP2264438A1 (en) * 2009-06-19 2010-12-22 The European Union, represented by the European Commission A surface plasmon resonance sensing method and sensing system
JP5328915B2 (ja) * 2009-07-03 2013-10-30 株式会社日立製作所 高感度蛍光検出デバイス

Also Published As

Publication number Publication date
KR101879794B1 (ko) 2018-07-18
ES2554258T3 (es) 2015-12-17
DK2732265T3 (en) 2015-12-07
US9395363B2 (en) 2016-07-19
JP5820929B2 (ja) 2015-11-24
MX2014000527A (es) 2015-05-12
CN103649724A (zh) 2014-03-19
EP2732265B1 (en) 2015-08-26
KR20140043806A (ko) 2014-04-10
BR112014000850B1 (pt) 2020-11-10
EP2546635A1 (en) 2013-01-16
WO2013007448A1 (en) 2013-01-17
US20140134714A1 (en) 2014-05-15
BR112014000850A2 (pt) 2017-08-29
JP2014522977A (ja) 2014-09-08
EP2732265A1 (en) 2014-05-21
MX340000B (es) 2016-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103649724B (zh) 纳米结构的spr传感器装置
US9464985B2 (en) Plasmon resonance imaging apparatus having nano-lycurgus-cup arrays and methods of use
US7057732B2 (en) Imaging platform for nanoparticle detection applied to SPR biomolecular interaction analysis
US8314935B2 (en) Target substance-detecting apparatus and target substance-detecting method
CN1971267B (zh) 波导耦合表面等离子体共振生物传感器
US20100252751A1 (en) Microelectronic opiacal evanescent field sensor
JP2015055482A (ja) 分析装置、分析方法、これらに用いる光学素子及び電子機器
CN102576020B (zh) 用于生物性结合的特性描述的方法
JP2005532563A (ja) 分子検出器装置
US20100221842A1 (en) Sensor device for the detection of target components
US20200256794A1 (en) Nanoplasmonic devices and applications thereof
Mishra et al. UV to NIR surface plasmon coupled and metal-enhanced fluorescence using Indium thin films: application to intrinsic (label-less) protein fluorescence detection
EP2060904A1 (en) Plasmon grating biosensor
Yuk et al. Analysis of immunoarrays using a gold grating-based dual mode surface plasmon-coupled emission (SPCE) sensor chip
Dong et al. Improved polarization contrast method for surface plasmon resonance imaging sensors by inert background gold film extinction
de la Chapelle et al. Handbook of enhanced spectroscopy
EP2112500A1 (en) Plasmonic biosensor
EP4083610A1 (en) Biomolecular inspection chip for fluorescence detection
EP2672254A1 (en) SPR biochips for label-free analysis of complex biological and chemical samples and method of multiplex analysis
JP2008275526A (ja) 表面プラズモン共鳴測定用センサチップ、表面プラズモン共鳴測定装置、並びにその測定方法
JP2007263955A (ja) センサ素子用構造体、センサ素子用アレイ、センサ素子用アレイの製造方法及びセンシング装置
Laible et al. 3.1 Localized surface plasmon resonance shift sensing
Cunningham Photonic crystals: a versatile platform for optics-based biological detection
Gong et al. Optimized sandwiched surface plasmon resonance enhanced biosensor for multiplex biomarker detection
TW201710660A (zh) 表面電漿共振晶片及其抗原檢測方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant